基于MBD的飞机设计与制造技术研究与应用

基于MBD的飞机设计与制造技术研究与应用

李丹丹   许艺严

陕西飞机工业有限责任公司    陕西汉中   723000

摘要:20世纪90年代初，数字3D设计成为中国飞机设计中最重要的技术工具，并在飞机型号型中得到了广泛的应用和成功。进入21世纪，基于数字三维设计，并行工程成功实现和协同开发，基于MBD的飞机设计制造是实现航空工业在世界先进航空国家的重要技术手段。

关键词:基于模型定义；飞机设计与制造

经过多年的型号应用，航空业在模型识别技术(MBD)和数字协同开发技术的基础上形成了飞机的数字定义，实现了基于外形飞机设计数字模型，形成了飞机设计异地数字协同开发系统。

一、ＭＢＤ技术应用现状

1.国外的应用。MBD的概念在20世纪90年代中期提出，波音公司的一些内部生产流程以及许多供应商的设计，制造和检验方法在技术某些生产期间未能满足MBD系统的技术要求。为了确保顺利过渡，波音采取了一系列“容忍”措施，一些保留2D图纸在生产依据。承包商可以使用3D或2D图纸来推广MBD技术。在开发A380和A400M飞机时，空中客经常使用波音737NX的3D控制模型和简化的2D模型。只有在开发ASMEY 14.41和BDS-600使用MBD方法在波音787项目中定义单个3D模型。

2.国内应用飞机制造商已将MBD技术应用于各种飞机的设计和开发，并在3D设计，测试技术，标准规则，数据管理和数据传输等关键技术的设计和制造方面取得了重大进展。目前，国内外对MBD技术的研究和应用在一些关键技术上取得了很大进展，但应用研究还没有完全系统化，基于MBD技术的3D制造系统尚未建立，MBD技术仍处于新型号研究和开发阶段。

二、基于MBD的飞机设计与制造

1.MBD为航空产品“单一数据源”开发提供。MBD使用集成的3D模型来确保准确性和完整性、标准化和有效的方式提供产品定义信息。MBD技术将3D模型与传统的设计和制造方法相辅相成，以集成的3D模型为设计和制造过程的唯一依据，克服了CNC环境的可重用性、可读性和不足，更准确、直接地反映设计者的意图，突破了设计、壁垒制造，设计特征和制造说明可以解决设计和制造的集成问题。基于MBD技术的数字化设计和制造已成为航空工业信息化的发展趋势，基于模型的系统工程(MBSE)是在飞机设计和制造领域开发的。MBSE是建模技术的官方应用，支持从配置，设计，分析，验证和系统验证到项目开发的所有后续生命周期任务。

2.基于多专业关联MBD设计技术。通过在3D设计环境中对几何元素进行参数化设计，实现了形状、结构、系统、技术和工装协同设计。上游设计变更不能及时准确地下游设计传递，不一致的设计会导致设计变更和返工问题。该项目的重点是飞机骨架模型和接口，在设计过程中，首先创建飞机骨架模型，定义完成后，系统结构，发布接口(飞机形状，结构梁，肋轴线等)。已创建，总体发布结构设计，基于接口的设计是使用骨架模型进行的，其中系统设计发布管线基于结构，系统位置和定位骨架模型。它遵循设计骨架模型，数字模块结构，系统安装定位和设计。

3.MBD基于协调样机和分析技术。允许布局全机或舱段、干涉测试、运动分析、维护检查以及虚拟装配。在数字原型和虚拟现实技术的支持下，建立了基于形状、工具和设计工作流程的飞机样机设计校准方法，构建了基于数字样机飞机设计校准系统。基于现有物理原理改变飞机设计的问题尚未得到充分解决。测试和专业化流程可确保样机和组件的质量，记录设计过程，最大限度地减少问题并减少生产和设计改进。

4.制造与装配MBD技术。在全面应用MBD导致了数字制造方法和数字装配技术的全面现代化升级。基于MBD的飞机可视化技术支持工艺设计和建模，数字装配和检验，根据设计数据提取生产过程信息，编制工艺文档，形成从工艺规划到生产的数字化生产系统，实现基于数字模型的产品开发的各个方面，数字化通过详细的建模，可以识别协调并尽早解决问题，以确保高质量和高性能。在数字化生产过程中，数字化生产线是以数字化模型为基础，结合数字化生产线管理，以数字化模型为基础，数字化管道规范和复合材料自动化铺贴生产线，数字化模型构建和生产线脉动，采用轻量化概念重新思考装配工艺。集成的数字装配定位和移动技术，可再设计、优化和平衡装配过程与精益生产，基于站位的节拍生产计划可加快安装速度并缩短装配周期

5.设计制造协同MBD管控技术。为了降低开发基于MBD的协同生产管理技术的风险，飞机设计需要国内外最好的公司参与，将最好的产品集成到飞机中，通常使用主要制造商和供应商的开发模型。飞机的开发是在飞机方案设计和初步设计，作为"主制造商"，优选部件与系统承包的供应商提供各种组件和系统。

三、基于MBD的飞机设计与制造成功应用

在我国航空工业大型运输机的发展史上的一个重要里程碑。鉴于开发工作的紧迫性和复杂性，该项目利用基于MBD的3D设计和制造技术，在多个工厂联合开发的基础上，创建数字技术模型和新的飞机开发模型，以支持跨境航空运输的整体发展。建立了三维数字设计模型系统和并行数字研究平台。基于MBD的3D数字设计系统用于大型运输机开发，支持完整的3D设计和生产，2 600个结构模块、自制件12万余。基于MBD技术，飞机的开发模式从传统的2D模式转变为完整的3D模式，包括电子样机转换评估。在模拟量传输，文档和图样包含基于骨架模型的接口命令。从专业的手动建模到基于模型的数字设计方法，从传统的质量管理到数字质量管理，可以将多个数据源的设计和制造转换为单个数据源。从物理试错模型过渡到基于无试错和成功制造。支持串行研发转变到并行研发，一所一厂转变到多厂所联合。

通过在飞机设计和制造中探索和应用MBD技术，数字3D样机可以作为单一数据源，使所有公司能够在飞机的整个生命周期(测试，飞行和维护阶段)中提供支持。

参考文献:

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[4]范中剑.大型飞机数字化制造工程[Ｍ].北京:航空工业出版社，2022.